Dokazi za 'združevanje kvarkov', najdeni v trkih LHC – Svet fizike

Fiziki, ki delajo na eksperimentu LHCb, so videli dokaze, da ima "združevanje kvarkov" vlogo pri evoluciji kvarkov v hadrone po trkih protonov v velikem hadronskem trkalniku (LHC). Ta mehanizem, ki je bil prvotno predlagan v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ima obstoječe kvarke s prekrivajočimi se valovnimi funkcijami, ki združujejo namesto ustvarjanja novih kvarkov. Najbolj izrazit je pri nizkih prečnih momentih in se postopoma izklopi, ko kvarki hitro pobegnejo iz točke trka.

Kvarki so delci, ki tvorijo protone in nevtrone znotraj atomskih jeder, in številni drugi hadroni (težki delci), ki čutijo močno interakcijo. Ena od njihovih najbolj nenavadnih lastnosti je, da jih nikoli ni mogoče opazovati ločeno. Glavni razlog je v tem, da za razliko od gravitacije, elektromagnetizma in šibke interakcije, katerih moč pada z razdaljo, učinek močne interakcije narašča, ko se vezani kvarki oddaljujejo drug od drugega. Če so kvarki dovolj oddaljeni, gluonsko polje, ki posreduje močno interakcijo, vsebuje dovolj energije za ustvarjanje parov delec-antidelec. Ti se vežejo na prvotne kvarke in ustvarjajo nove vezane delce, ki so lahko mezoni (kombinacije enega kvarka in enega antikvarka) ali barioni (sestavljeni iz treh kvarkov). Ta proces se imenuje fragmentacija.

Poskusi, ki so vključevali trke težkih ionov, so pokazali, da to še ni vsa zgodba. Fiziki verjamejo, da se lahko kvarki združijo tudi v gosto kvark-gluonsko plazmo, ki nastane z zbijanjem teh velikih delcev skupaj v procesu, imenovanem koalescenca.

"Doživite trk, naredite kup parov kvark-antikvark, ki se začnejo oddaljevati drug od drugega, in zaradi dvojnosti delca valov ima vsak delec valovno dolžino, ki vam nekako pove, kako velik je," pojasnjuje Matt Durham iz Nacionalni laboratorij Los Alamos v ZDA, ki je član kolaboracije LHCb.

Obstoječi kvarki se združijo

»Če imate tri kvarke, ki se med seboj prekrivajo, jih zamrznete skupaj v barion; če imate dva kvarka, ki se prekrivata, ju zamrznete skupaj v mezon; če imate kvark, ki se ne prekriva z nobenim drugim, ga je treba fragmentirati,« pojasnjuje Durham. »Torej koalescenca vzame kvarke, ki nastanejo pri trku, in jih zlepi skupaj; fragmentacija zahteva, da iz vakuuma naredite nove kvarke."

Koalescenca pri trkih težkih ionov je bila "splošno sprejeta", pravi Durham, ker je drugače težko razložiti razmerja med protoni in pioni, proizvedenimi v poskusih. Trki težkih ionov pa so neurejeni in teoretične napovedi so neizogibno nenatančne. V novi raziskavi je ekipa LHCb proučevala nastajanje b kvarkov v proton-protonskih trkih. Kvark b, včasih imenovan spodnji ali lepotni kvark, je drugi najbolj masivni kvark v standardnem modelu fizike delcev.

Proizvodnja kvarkov b bo skoraj zagotovo proizvedla bodisi b-lambda barion bodisi B⁰ mezon, ki oba vsebujeta ab kvark. Produkcijsko razmerje med tema dvema je bilo obsežno raziskano v poskusih, v katerih kvark b nastane s trki elektronov in pozitronov – proces, ki lahko vodi le do fragmentacije. "Če imate samo razdrobljenost, mora biti to razmerje univerzalno," pravi Durham.

Ekipa LHCb je prečesala večletne podatke o trkih proton-proton in preučevala razpadne produkte trkov, ki so proizvedli kvarke b. Za trke z velikimi prečnimi momenti glede na trčne žarke in nekaj drugih odhajajočih delcev, odkritih hkrati, je bilo razmerje med barioni in mezoni približno enako razmerju v eksperimentih elektron-pozitron.

Več barionov

Ko pa so prečni momenti padali in ko je število drugih istočasno zaznanih delcev raslo, se je delež barionov postopoma povečeval glede na delež mezonov. Raziskovalci so sklenili, da je to jasen dokaz, da je bil v teh trkih na delu drug proces, pri katerem je bolj verjetno, da bodo proizvedli barione. V tem scenariju je kvark b obkrožen z drugimi kvarki – vendar je postajal vse bolj nenaklonjen, saj je bil proizvedeni kvark bolj ločen od drugih delcev. "Za razlago tega resnično potrebujete koalescenco," pravi Durham, ki dodaja, "mislim, da smo to tukaj dokončno pokazali".

"Vsekakor se mi zdijo podatki prepričljivi," pravi teoretik Ralf Rapp teksaške univerze A&M; »Včasih je obstajala nepovezanost med zelo majhnimi sistemi – ekstremni so bili elektron-pozitron, kjer imate samo en par kvark-antikvark – in sistemi težkih ionov, kjer imate na tisoče kvarkov. Način, na katerega resnično izrazijo svoje stališče, je, da sistematično pokažejo, kako učinek izgine in obnovi mejo elektron-pozitron kot funkcijo opazovanega števila hadronov, kar je opazna vrednost, ki meri, koliko kvarkov in antikvarkov se lahko združi.«

Eksperimentalist Anselm Vossen Univerze Duke v Severni Karolini se strinja, da je delo "zelo dobro", vendar ugotavlja, da temeljne predpostavke, uporabljene za izračun frakcij fragmentacije, vključujejo izoliranje kvarkov, zato morda ni presenetljivo, da dajejo napačne rezultate pri nizkih transverzalnih momentih, ko to ni tako. "Vse to so modeli," pravi. "Zelo sugestivno je, da če nekaj uporabite v modelu koalescence, to deluje, vendar to ne pomeni, da je to" resnica "."

Raziskava je opisana v Pisni pregledi fizike.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/